龔凌云，王 旋，秦 皇，蔡韓奇，田 雷

（國網(wǎng)浙江省電力有限公司檢修分公司，杭州 311232）

0 引言

直流輸電具有輸送容量大、送電距離遠、電網(wǎng)互聯(lián)方便、功率調(diào)節(jié)容易和線路走廊窄等諸多優(yōu)點，因此，在遠距離電能傳輸、非同步電網(wǎng)互聯(lián)、分布式能源接入電網(wǎng)、海島供電以及大城市中心區(qū)域電纜供電等領(lǐng)域具有明顯優(yōu)勢[1-3]。

特高壓換流站設(shè)備類型多，發(fā)生故障的概率高，保護配置也要比常規(guī)變電站復(fù)雜得多。目前，鮮有文獻對換流站的故障診斷進行研究。文獻[4]重點強調(diào)了提高直流輸電線路繼電保護的研究和運行水平。文獻[5]針對直流單極接地故障，設(shè)計了一種附加控制器以加速電容電壓再平衡，實現(xiàn)故障恢復(fù)。文獻[6-7]針對直流輸電線路故障，未提及換流站內(nèi)設(shè)備故障診斷問題。目前，對變電站故障診斷技術(shù)相對成熟。文獻[8]提出了一種基于粗糙集理論和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的變電站故障診斷方法，運用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對故障診斷知識進行模式識別。文獻[9-10]針對智能變電站，分別設(shè)計了一種網(wǎng)絡(luò)分析與故障錄波一體化系統(tǒng)，提出了一種繼電保護故障可視化分析方案。

繼電保護裝置作為電力系統(tǒng)的重要組成部分，在換流站發(fā)生故障時能夠快速切除故障設(shè)備。不同保護類型的保護范圍不同[11-15]，故障錄波裝置會動態(tài)記錄故障電流、電壓和保護動作信息。特高壓直流保護也是繼電保護的一種，其按照分層、分區(qū)和獨立配置的原則設(shè)計[16-18]，本文提出了一種基于保護分區(qū)特性的故障診斷方法，結(jié)合保護動作情況和動作保護的分區(qū)特性實現(xiàn)故障診斷。以金華換流站換流變本體閥側(cè)首端套管內(nèi)部故障為例，通過本文提出的診斷策略，有效實現(xiàn)了故障定位。

1 換流站保護分區(qū)特性

根據(jù)現(xiàn)有配置的換流站保護原則，主要劃分為7 個區(qū)域：換流閥保護區(qū)域、極保護區(qū)域、雙極保護區(qū)域、直流濾波器保護區(qū)域、換流變保護區(qū)域、交流濾波器保護區(qū)域和交流場保護區(qū)域。以交流直流為界，將換流閥保護、極保護、雙極保護和直流濾波器保護歸為直流保護，換流變保護、交流濾波器保護和交流場保護歸為交流保護。

1.1 直流保護

保護區(qū)域是以CT（電流互感器）位置作為各保護范圍的界限的，CT 測點分布如圖1 所示。分別對金華換流站配置的保護及保護分區(qū)情況作了一個統(tǒng)計，如表1 所示。當(dāng)發(fā)生故障時，參照表1，根據(jù)保護動作情況確定故障范圍。表1 中，被保護區(qū)域以黑線框出。

表1 直流保護的分區(qū)特性

1.2 交流保護

交流保護包括交流濾波器保護、換流變保護和交流場保護。交流場保護范圍包括母線、500 kV GIS 開關(guān)以及交流線路，對常規(guī)變電站故障診斷，文獻[5-6]中已經(jīng)研究得比較透徹，在此不做贅述。交流濾波器是換流站的無功設(shè)備，由電容器、電阻器以及電抗器組成，每個設(shè)備設(shè)立了單獨的保護，包括差動保護、不平衡保護等，本文不作詳細介紹。

換流變是換流站的主設(shè)備，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，故障率也比較高。換流變網(wǎng)側(cè)套管、閥側(cè)套管的故障概率較高，換流變保護的分區(qū)特性如表2 所示，表2 中保護范圍以虛線框出。

2 基于保護分區(qū)特性的故障診斷方法

換流站直流場區(qū)域采用敞開式的設(shè)備，所配保護也基本可定位到單個設(shè)備，因此直流場的設(shè)備故障定位可通過保護動作情況確定故障范圍，再結(jié)合現(xiàn)場故障現(xiàn)象來進一步確定故障設(shè)備。

換流變配置了電氣量保護和非電氣量保護，當(dāng)換流變內(nèi)部發(fā)生故障時，僅僅依靠保護動作情況可能無法進行正確地診斷，需要結(jié)合一體化在線監(jiān)測系統(tǒng)的歷史油色譜數(shù)據(jù)來確定。

表2 換流變保護的分區(qū)特性

圖1 換流站CT 測點分布

以上2 類設(shè)備發(fā)生故障時，故障現(xiàn)象較為明顯，故障診斷和定位也比較容易。換流站存在一類設(shè)備，其故障現(xiàn)象不明顯，不太容易進行故障診斷，即套管類的故障，如換流變網(wǎng)側(cè)套管、換流變閥側(cè)套管以及直流穿墻套管。本文旨在對這3 類套管的故障實現(xiàn)快速診斷，通過對套管故障時保護的動作情況進行分析，將所有的保護動作結(jié)果羅列，換流站工作人員就可直接根據(jù)保護動作結(jié)果進行匹配，從而直接實現(xiàn)故障定位。換流變網(wǎng)側(cè)、閥側(cè)套管內(nèi)部均含有CT，以CT 為界，將其一分為二，套管故障分類及相應(yīng)保護動作情況如表3 所示，可直接根據(jù)表3 的保護動作情況實現(xiàn)故障診斷。

表3 套管故障分類及保護動作情況

3 故障診斷

以某換流站某日發(fā)生的換流變故障跳閘作為分析案例，采用本文提出的基于直流保護分區(qū)特性的故障診斷方法，實現(xiàn)了故障診斷。

3.1 故障情況

3.1.1 主要事件記錄

發(fā)生故障跳閘后，保護動作情況如表4 所示。

表4 主要事件記錄

3.1.2 保護動作錄波分析

結(jié)合后臺事件，調(diào)取極保護和閥組保護的故障錄波，進一步分析極保護和閥組保護的保護動作信息，如圖2、圖3 所示。

圖2 故障閥組保護動作故障錄波圖

圖3 極2 差動保護動作故障錄波圖

圖2 為故障錄波記錄的閥組保護動作信息，DDD_II_diff 為閥組差流，DDC_I_ref 為閥組I 段保護定值。t1時刻09：32：35：902，閥組差流產(chǎn)生；4.3 ms 后，t2時刻差流大于I 段定值3 084 A；經(jīng)5 ms 延時，t3時刻閥組差動保護動作，執(zhí)行S 閉鎖；t4時刻跳交流進線開關(guān)；t5時刻投旁通對；t6時刻閥點火停止。

圖3 為從故障錄波調(diào)取的極保護動作信息，由圖3 可知，t1時刻，極母線電流IDL_I 和中性母線電流IDNE_I 發(fā)生變化，極差流PDP_A_I 產(chǎn)生；t2時刻極差動保護動作，執(zhí)行S 閉鎖。

因此，由故障錄波調(diào)取的極保護動作信息和閥組保護動作信息可知，故障發(fā)生后，閥組差動保護和極差動保護均動作。

3.2 故障診斷

根據(jù)后臺事件記錄表和錄波分析的結(jié)果可知，當(dāng)故障發(fā)生后，換流變重瓦斯保護、極差動保護和閥組差動保護這3 個保護動作，結(jié)合表1，可直接實現(xiàn)故障定位，即將故障定位至閥側(cè)套管CT 外側(cè)（靠近閥側(cè)），如圖4、圖5 所示。

3.3 解體驗證

從解體后的接地法蘭內(nèi)部圖上可以看出，法蘭表面碳化燒蝕痕跡明顯，電容芯子環(huán)氧樹脂絕緣層燒蝕嚴重，如圖6 所示，該位置為閥側(cè)首端套管CT 靠近末屏側(cè)（閥側(cè)），由此可判斷法蘭處為接地故障位置，與本文結(jié)合分區(qū)特性實現(xiàn)的保護故障診斷結(jié)果一致。

4 結(jié)語

圖4 極2 低端換流變故障點及故障電流示意

圖5 換流變接地故障位置示意圖

圖6 故障換流變閥側(cè)首端套管法蘭處解體結(jié)果

換流站配置的保護可以實現(xiàn)保護站內(nèi)的全部設(shè)備，各類保護具有明顯的分區(qū)特性。本文基于保護的分區(qū)特性實現(xiàn)了對某換流站某日發(fā)生的閉鎖故障進行診斷，準(zhǔn)確地診斷出了極2 低端換流變A 相閥側(cè)套管CT 外側(cè)發(fā)生接地故障點，換流變的解體結(jié)果進一步驗證了本文診斷結(jié)果的準(zhǔn)確性。結(jié)合保護分區(qū)特性實現(xiàn)的故障診斷也為解體分析和故障成因提供參考價值。因此，掌握換流站保護的分區(qū)特性，對于現(xiàn)場的故障定位和故障診斷有著至關(guān)重要的作用。